600 MW超(超)临界机组给水泵汽轮机调速性能异常问题分析与处理

赵超，孟礼，朱建，张文英

(江苏阚山发电有限公司，江苏 徐州 221134)

给水泵汽轮机为燃煤发电机组的重要辅机，近年来，机组频繁参与电网深度调峰任务，负荷波动频繁，要求给水流量跟踪响应快，这就需要给水泵汽轮机需要具备良好的动态调节特性来满足电网调节的任务。

阚山发电公司给水泵汽轮机为单缸、单流、单轴、反动式纯凝汽汽轮机，型号为NK63/71/0。给水泵汽轮机调节性能异常可能会引发超速事故，超速会对人身安全和设备造成极大危害[1]。为严格执行国家能源局发布的国能安全[2014]161号《防止电力生产事故的二十五项重点要求》，保证电力系统安全、稳定和高效经济运行，给水泵汽轮机调节系统异常问题一旦出现需及时解决。

1 异常状况

给水泵汽轮机的汽源为主汽轮机第四段抽汽，备用汽源为高压缸排汽，启动调试汽源为辅助蒸汽。正常工作时，第四段抽汽先经过速关阀(SSV)到达进汽室，进汽室内装有5个提板式调节汽阀，给水泵汽轮机调节汽阀结构图如图1所示。根据负荷和转速指令，油动机通过杠杆机构操纵提板，调节5个调节汽阀开度，调整进入给水泵汽轮机的蒸汽流量来控制给水泵汽轮机的转速[2]。

图1 给水泵汽轮机调节汽阀结构图

当油动机伺服阀接收关小调节汽阀的指令后，目的是减少进汽量来降低给水泵汽轮机的转速，然而，实际转速却从3 702 r/min急剧升至3 791 r/min；当油动机伺服阀接收开大调节汽阀的指令后，目的是增加进汽量来提高给水泵汽轮机的转速，然而，实际转速却从3 791 r/min急剧下降至3 698 r/min。调节性能出现了与原调速系统设计功能相悖的情况，具体异常说明如下：

2021年2月8日05:25:14，当时负荷为273 MW，2A给水泵出口压力为16.06 MPa，2B给水泵出口压力为16.08 MPa，2A给水泵汽轮机设定转速为3 689 r/min，调节汽阀开至30.04%，实际转速为3 702 r/min，比设定值高出13 r/min，调节汽阀关到22.22%时，转速出现异常升至3 791 r/min，给水流量从460 t/h增加至588 t/h。

2021年2月8日05:27:12，设定转速不变，调节汽阀指令从22.22%增加至25%，调节汽阀开至26.38%，实际转速从3 791 r/min急剧下降至3 698 r/min，给水流量从460 t/h下降至300 t/h，触发给水泵最小流量阀门全开，造成给水流量低。接着开度指令增加，调节汽阀开度增大，小机升速至3 820 r/min左右，给水量维持稳定。

追溯2021年2月20日上午10:00，除出现上述现象外，出现2A、2B开度值由3%左右偏差达到10%左右的情况。经查阅，2021年2月8日调节汽阀出现的状态和2021年2月20日出现的2A、2B开度值偏差的情况，在2021年1月15日机组启动过程中，给水泵汽轮机挂闸(速关阀全开，调节汽阀未开启状态)，给水泵汽轮机转速从盘车300 r/min突然升至1 400 r/min。就地检查发现油动机的连接杆产生弯曲。图2为启动过程中出现过调节汽阀阀门未关闭到位，导致油动机连接杆产生压杆弯曲现象。

图2 油动机连接杆产生压杆弯曲现象

2 原因分析

2.1 调节汽阀开度与转速调节性能异常的原因

对于调节汽阀总开度下降，转速却异常上升，给水流量上升的现象，初步判断2A调节汽阀内部5个调门中2号调节汽阀没有关闭到位，阀座凸出，阀芯被阀座顶开，引起进汽量突然增加转速突然上升；对于调节汽阀再次开大，转速却下降100 r/min的现象，初步判断是在横梁上提的过程中，调节汽阀阀芯与阀座复位，造成进汽通流面积减小，造成进汽量减少转速降低。

对比图3和图5，门芯导向杆与导向套处可能存在卡涩，造成阀梁下关时(调节汽阀关小)，阀芯接触阀座，受到阀座施加向上的支反力使得阀芯向上抬升，进汽口与阀芯遮盖度减小，进汽流量增加。图4箭头所示，当阀梁向上提至某一开度时，阀芯导向杆回正，将阀门关闭，造成进汽流量减小，转速异常下降。

2.2 2A、2B调节汽阀开度同转速下偏差较大原因

自2021年2月20日以来，未出现调节汽阀开大后转速突降的现象，是因为2A调节汽阀中的2号阀芯导向杆处在图3(2)中，阀芯导向杆处于偏斜状态未回正落下(此位置接近于2号阀全开状态)，2号调节汽阀的进汽量未明显减少，调速系统发出关小2A调节汽阀指令，才能维持速度的正常调节，这就扩大了2A、2B在同转速下调节汽阀开度偏差值从原始的3%增加到10%左右。当速度进一步升高时，达到第3号阀门开始参与调速的开度，第2号阀已经不参与转速调节，第2号阀芯导向杆在运行期间是否回正，对转速的影响都不大。因此，出现2A、2B调节汽阀开度偏差大的新问题，是因为图3中第2个阀芯导杆悬挂的影响。

图3 给水泵汽轮机调节汽阀阀芯异常状况动态分析图

图4 给水泵汽轮机调节汽阀阀座凸出，阀芯偏斜造成关闭时进汽增加

综上所述，给水泵汽轮机调节汽阀根据转速指令，1号到5号顺序依次打开。图5所示为给水泵汽轮机调节汽阀1号阀门全开及2号未开时的正常状态示意图。由于调节汽阀阀座与进汽室母材材质不一致，阀座材质为ZG20CrMoV，进汽室母材材质为15MoG，进汽室与阀座的金属热膨胀系数不同，在给水泵汽轮机运行的热态情况下，金属温度受进汽温度影响，插装在进汽室的阀座与母材产生热膨胀偏移，阀座热膨胀凸起因此调节汽阀进汽异常，是造成本次调速系统异常的原因。

图5 给水泵汽轮机调节汽阀1号阀门全开及2号未开时的正常状态示意图

3 缺陷处理

利用机组检修期间对2A给水泵汽轮机调节汽阀解体检查时发现2号阀座凸起，凸起高度达12.6 mm。2号阀座凸起现场状况如图6所示。解体情况与上述原因分析一致，验证了阀座凸起造成了给水泵汽轮机调速失常的原因。现场使用干冰将其冷却收缩，然后用千斤顶将其顶回原位，所有阀座采用点固焊来约束热膨胀凸起。

图6 2号阀座凸起现场状况

缺陷处理完成后，2A给水泵汽轮机转速调节性能恢复正常。2A给水泵汽轮机挂闸时(速关阀全开，调节汽阀未开启状态)，给水泵汽轮机盘车转速稳定在300 r/min，未出现异常升速现象。2A给水泵汽轮机冲转时，2A调节汽阀指令从22.0%增加至25%，实际转速从3 791 r/min上升至3 815 r/min，升速性能正常。经过比对分析，在相同的转速3 791 r/min，修前对应调节汽阀开度为26.38%，修后开度恢复到22%，根据调节汽阀流量特性曲线，对应给水泵汽轮机的进汽量从3.335 kg/s降低到2.102 kg/s，在上述273 MW负荷条件下，查阅给水泵汽轮机的进汽焓值约为3 228 kJ/kg，2A给水泵汽轮机单位时间内可节约3 980.12 kW的热耗量。

4 结语

调节汽阀是给水泵汽轮机调速系统的重要组成设备，由于调节汽阀的阀座与进汽室金属的材质和热膨胀系数不相同，调节汽阀的阀座在热态情况下会产生膨胀凸起，致使给水泵汽轮机进汽量与调节汽阀对应开度不匹配，从而引起给水泵汽轮机调节性能异常。

结合解体检查调节汽阀，证实了调节汽阀阀座凸起是造成调节系统异常的原因，并通过采取干冰冷装阀座，点固焊约束阀座运行期间产生热位移等工艺措施，消除了调节汽阀异常引起调速性能异常的故障。针对本次解体检查情况，对于同类机型的调节汽阀应列入定期检查工作项目，及时检查发现调节汽阀异常的隐患，采取防热膨胀的措施以保证给水调节性能稳定可靠。